CC BY
90
Рыжов А.А., Гусев А.М. ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ И СИЛЬНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОЛЕЙ НА РЕЛЬЕФ ПОВЕРХНОСТИ ЭЛЕКТРОДОВ ВАКУУМНЫХ ПРИБОРОВ
Проблема повышения напряжения пробоя, уменьшения токов утечки и стабилизации их значений наиболее остро возникает при разработке и эксплуатации высоковольтных вакуумных приборов с большими рабочими поверхностями электродов. К таким приборам, в частности, следует отнести высоковольтные вакуумные конденсаторы, в процессе производства которых применяются различные методы обработки электродов, направленные на повышение электрической прочности вакуумных промежутков.
Как бы тщательно не была обработана поверхность металла, она содержит выступы различной величины. Металлические детали, применяемые в электровакуумном производстве, имеют довольно большие неровности (табл.1) [1].
Табл.1 - Поверхностная текстура, обусловленная различными методами изготовления деталей
Метод изготовления Величина верхности неровностей по-мкм.
Обточка обычная 0 8 - 1 6
Обточка точная 0 1 - 0 4
Фрезерование обычное 0 8 - 1 6
Фрезерование точное 0 2 - 0 8
Шлифовка обычная 0 4 - 0 8
Шлифовка тонкая 0 2 - 0 4
Полировка тонкая 0 025 - 0 05
По сравнению с размерами атомов такие неровности очень велики: они превышают размеры атомов в несколько сотен и даже тысяч раз. Следовательно, уже в исходном состоянии на поверхности электродов имеются зародыши неровностей значительных размеров, которые удается ликвидировать, лишь применяя трудоемкие операции полировки.
Но главное затруднение состоит не в том, что доводка поверхностей электродов до высокого клас-
са чистоты - трудоемкий процесс. Опыт показал, что состояние поверхностей электродов быстро изменяется: выступы на них могут либо уменьшаться, либо возрастать, и главными регулирующими факторами при этом оказываются температура и электрические поля.
Из физики металлов известно, что благодаря поверхностному натяжению всякие неровности на поверхностях электродов стремятся исчезнуть при длительном тепловом воздействии, так как более вы-
сокая свободная энергия атомов, находящихся на вершинах выступов, заставляет их «скатываться» в ямки между выступами, где эти атомы могут занять более устойчивое положение. Таким образом, происходит самопроизвольная нивелировка поверхности металлов [2].
Наряду с этим известен также и обратный процесс: при высоких температурах хорошо отполирован-
ные поверхности поликристаллических металлов стремятся увеличить шероховатость. Объясняется это тем, что при полировке поликристаллических металлов грани кристаллов разрушаются и на поверхности образуется аморфный слой атомов, обладающих повышенной свободной энергией. При нагреве, такого полированного металла «аморфные» атомы мигрируют по поверхности, стремясь занять вакантные места в кристаллической решетке. Восстановление разрушенных полировкой кристаллов происходит до тех пор, пока уменьшение энергии атомов, получаемое при упорядочении их положения, полностью не скомпенсирует прирост поверхностной энергии, возникающий из-за увеличения поверхности. В итоге на поверхности металлов появляется естественная шероховатость: возникают борозды, расположенные в
строгой периодичности, высотой в несколько десятков ангстрем или даже канавки глубиной в несколько микрон.
Шероховатость поверхности при нагреве появляется быстрее, когда металл прогревается в атмосфере собственных паров. Например, когда медные детали нагревают в течение 5 мин при 950 0С в медных контейнерах (без оттока испаряющихся атомов), на их поверхностях возникает сильная шероховатость; при отжиге же таких деталей в никелевых контейнерах (хорошо адсорбирующих и растворяющих атомы меди) увеличения шероховатости не обнаруживается [1].
Нитевидные кристаллы вырастают особенно быстро, когда возникают условия конденсации пара на охлажденных поверхностях.
Для образования нитевидных кристаллов не требуется больших плотностей пара. На металлах Ы1, Ее, Мо, Си, Ад, Т1, Pt и др. нитевидные кристаллы вырастают за 5 - 10 мин на длину до 10 мкм (при диаметре 50 - 150 ангстрем) при давлении пара всего лишь в 10-3 - 10-4 Па. Острия быстро возникают при конденсации парообразных веществ, например, ртути или органики, на холодных подложках. Такие условия очень близки к условиям, в которых находятся детали электровакуумных приборов (пайка, сварка и откачка) [1].
Подходящие условия для роста нитевидных кристаллов возникают при обезгаживающем отжиге деталей, их пайке и, в особенности при откачке, тренировке и эксплуатации электровакуумных приборов, поскольку между их электродами имеются электрические поля, ускоряющие процесс роста, а давление паров летучих веществ, испаряющихся с более нагретых участков этих же или других деталей.
Наиболее обильными источниками парообразных веществ в вакуумных приборах - это электроды, подверженные удару свободных частиц, бомбардировкой электронами и ионами.
Кроме температуры, регулирующим фактором, влияющим на изменение поверхности электродов вакуумных устройств, являются сильные электрические поля.
Когда на поверхности деталей уже имеются отдельные неровности, при воздействии сильных электрических полей возникают новые явления, характерные для высоковольтных приборов.
Во-первых, на остриях происходит компрессия электрического поля, в результате чего истинная напряженность поля у их вершин возрастает по сравнению со средней (равной частному от деления напряжения между электродами на расстояние между ними) напряженностью поля в 100 - 200 раз. Этим обстоятельством как раз и объясняется наблюдаемый на практике факт, что средняя пробивная напряженность электрического поля уменьшается с увеличением расстояния между электродами.
При высоких напряженностях поля в вакууме, возникает интенсивная автоэлектронная эмиссия с остриев, сопровождаемая обычно еще и резким возрастанием термоэлектронной эмиссии, поскольку при малых толщинах остриев они нагреваются проходящим током до высоких температур.
Во-вторых, компрессия электрического поля у остриев приводит, в свою очередь, к компрессии на них газа, обусловленной тем, что молекулы некоторых компонентов остаточных газов (например, водяных паров, хлоридов, органических веществ) обладают дипольным моментом или способностью к поляризации. Плотность таких молекул у вершин остриев в сильных электрических полях возрастает по срав-
ип / кТ . тт
нению со средней плотностью их в вакууме в е п раз ( ип - энергия поляризации, равная
/иЕ +аЕ2 ; /и - дипольный момент; а - поляризуемость; Е - напряженность поля).
Е 2
В-третьих, поскольку на электроды, находящиеся в электрическом поле, действует сила Е =---------------- ,
8ж
(где Е - напряженность поля), которая может оказаться больше предела прочности на разрыв остриев и вызвать отрыв их от электродов. Так, для медных остриев (сопротивление разрыву у меди около 20
кГ/мм2) отрыв может произойти при напряженностях поля около 70 • 106 В/см. Также от поверхности электродов могут отрываться образующиеся на них непрочные пленки конденсирующихся веществ, испаряемых с катодов, и случайно прилипшие частицы пыли. Отрыв таких частиц облегчается при импульсной работе приборов, так как в этом случае проявляется еще и фактор усталости материала. Именно импульсный режим работы характерен для высоковольтных приборов.
В-четвертых, сильное электрическое поле снижает энергию активации поверхностных миграционных процессов. Получается, что высокое электрическое поле как бы «подогревает» самый верхний слой атомов до температуры, намного превосходящей среднюю температуру электрода. Этим, по-видимому, можно объяснить тот наблюдаемый на опыте факт, что пробивное напряжение разрядных промежутков мало зависит от температуры электродов.
Рис.1 - Типичные изменения формы острия (а) при миграции атомов на его поверхности (б) и воздействии электрического поля (в,г).
Но влияние электрического поля на поведение остриев совершенно иное по сравнению с влиянием температуры. Это можно рассмотреть на примере одиночного острия (рис.1а) , возникшего на поверхности электрода по какой-либо из указанных причин.
Когда электрическое поле отсутствует и давление газов в приборе очень мало, повышение средней температуры, благодаря тенденции материалов сокращать свободную поверхностную энергию, должно приводить к притуплению острия, при этом, оно будет стремиться к шарообразной форме с наименьшей поверхностью (рис.1б). При длительном воздействии температуры острие, в конце концов, может полностью исчезнуть и на поверхности останется лишь естественная шероховатость, обусловленная кристаллическим строением металла.
Если же у поверхности электрода имеется электрическое поле, то процесс притупления острия тормозится, так как поверхностное натяжение уменьшается пропорционально квадрату величины этого поля.
Когда электрическое поле становится столь сильным, что его действие на поверхностные атомы полностью компенсирует действие поверхностных сил, миграционный поток атомов изменяет свое направление: поверхностные атомы начинают перемещаться из ямок между выступами к их вершинам, где напряженность электрического поля больше.
Мигрирующие на вершину остриев атомы могут ионизироваться и десорбироваться в виде ионов, ускоряясь далее электрическим полем на электроды противоположной полярности. Но если этого не произойдет, то мигрирующие атомы достраивают кристаллические плоскости в тех местах, где имеются дефекты структуры.
Если же в газовой фазе присутствуют пары каких-либо веществ, сложных по химическому составу, то они адсорбируются, а затем разрушаются на остриях; осколки молекул этих веществ идут на наращивание остриев (рис.1в).
Однако, с ростом остриев вырастает и напряженность поля у их вершин, а, следовательно, и величина отрывающей силы. Когда эта сила превосходит предел прочности острия, оно отрывается от электрода и как заряженная частица ускоряется полем на электрод противоположной полярности.
В присутствии химических активных газов эти процессы могут давать и обратный эффект: если на поверхности остриев образуются соединения, обладающие высокой летучестью, то острия притупляются (рис.1г).
Таким образом, в зависимости от температуры электродов и напряжений на них, неровности и микроострия на поверхностях могут либо сглаживаться, либо прогрессивно нарастать. В высоковольтных электровакуумных приборах возможны оба случая:
- первым на практике пользуются для тренировки приборов с целью «ввести» их в нормальный рабочий режим;
- второй наблюдается при эксплуатации приборов, в результате чего в них возникают искрения и пробои, приводящие иногда к порче, как приборов, так и устройств, в которых они эксплуатируются.
Состояние поверхностей электродов определяет электрическую прочность их в вакууме и токи проводимости между электродами. В [5,6] показан механизм влияния роста тока проводимости от температуры, свидетельствующий об изменении рельефа поверхности электродов. Значительный рост тока снижает эксплуатационную надежность вакуумных приборов (снижает добротность, повышает вероятность возникновения теплового и электрического пробоев и др.), что приводит к выходу из строя приборов.
Для повышения надежности электровакуумных приборов исполь зуются технологические приемы обработки поверхности электродов до их вакуумирования (гальваническая обработка) и в процессе вакуу-мирования (температурная обработка при непрерывной откачке, обработка тлеющим разрядом, различные виды высоковольтной тренировки).
ЛИТЕРАТУРА
1. Черепнин Н.В. Сорбционные явления в вакуумной технике. М., «Советское радио», 1973, 384 с.
2. Гегузин Я.Е., Овчаренко Н.Н. О высокотемпературном самозалечивании дефектов поверхности кристаллических тел. - «ДАН СССР», 19 60, т. 130, № 3, с. 537.
3. Гуфельд И.Л. Поверхностные процессы на тренированных электродах, подготавливающие пробой в вакууме. - «ЖТФ», 1972,т. 42. № 5, с. 1010.
4. Буц В.П., Железнов М.Т., Юринов М.М. Вакуумные конденсаторы. Л., «Энергия», 1971. 136 с.
5. Пошехонова Т.А., Носов Д.А. Нитевидные кристаллы на поверхности сеток мощных высоковольтных приборов. «ЖТФ», 1970 г. - Т. 40. - №2. - С. 83-87.
6. Буц В.П. К вопросу эксплуатационной надежности вакуумных конденсаторов. Труды международного симпозиума «Надежность и качество 2008». Пенза. С. 165-166.
